Konstruktionsanwendungen und Einschränkungen für Vakuum-Unterbrecher

Einführung von Vakuum-Unterbrechern

Historisch gesehen ist das Vorstellung von Vakuum-Unterbrechern stammt aus den 1920er Jahren, als Sorensen und MendenhallAm California Institute of Technology begann die Forschung mit dem Konzept der Kurzschlussstromunterbrechung in einem Vakuummedium. Sie führten ein Experiment durch, indem sie zwei feste Kontakte und einen C-förmigen beweglichen Kontakt in eine Glasumhüllung legten, und verwendeten einen magnetischen Aktuator zum Antreiben des beweglichen Kontakts, der bei ~ 15 kV getestet wurde. In den 50er Jahren begann die kommerzielle Fertigung, als General Electricals USA den Vacal Interrupter mit Spiral Petal Arc Control Contact entwickelte. Seitdem wurde auf dem Gebiet der Vakuum-Unterbrecher viel Forschung betrieben, um kostengünstige, wartungsarme Vakuum-Leistungsschalter, -schalter und -Klemmen für den Einsatz bei mittleren und hohen Spannungen herzustellen. In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen der Vakuumlichtbogenbildung und ihre Unterbrechung, das Design und die Anwendungen der Vakuumunterbrechertechnologie sowie deren Grenzen untersucht.

Das Phänomen des Vakuumlichtbogens und seiner Unterbrechung

Bogenbildung

Da die Kontakte eine Folge von Ereignissen trennenfindet statt, der schließlich den Bogen zwischen den Lücken aufbaut. Wir können das wie folgt erklären. Wenn sich die Kontakte trennen, nimmt der tatsächliche Kontaktbereich zwischen den Elektroden ab, so dass der Kontaktwiderstand ansteigt, was die Erwärmung des Kontaktpunkts erhöht. Der Punkt schmilzt und eine instabile Brücke aus geschmolzenem Metall bildet sich zwischen den Kontakten und schließlich bricht die Brücke. In diesem Moment bildet sich mit dem Metalldampf ein Lichtbogen, der zwischen den Kontakten aufrechterhalten wird. Es gibt zwei Arten von Bogenmodi:

Schwachstrom-Lichtbogen

Für Ströme bis 5 kA zeichnet sich der Vakuumlichtbogen durch eine diffuse Stromsammlung aus.

Hochstromiger Säulenbogen

Für Ströme über 5 kA wird eine einzelne Hochdruck-Lichtbogensäule ähnlich der Lichtbogenbildung in Luftmedium gebildet.

Lichtbogenunterbrechung

Bei dem Eigenstrom Null dämpfen die Metalleschnell kondensieren und auf Kontakten sowie auf den Schirmflächen rekombinieren und den Vakuumzustand wieder herstellen Eine vollständige Erholung kann innerhalb von Mikrosekunden nach dem aktuellen Nullpunkt erreicht werden. Die Schaltung wird erfolgreich unterbrochen, wenn die Spannungsfestigkeit die angelegte Spannung der Schaltung überschreitet.

Vakuum-Unterbrecher

Entwurf eines Vakuum-Unterbrechers

Das Querschnitt eines Vakuum-Unterbrechers ist in Abbildung 1.1 dargestellt. Sie besteht aus einem festen Kontakt, bei dem eine Kupferelektrode an einer Endplatte gehärtet wird, während der bewegliche Kontakt an der anderen Endplatte durch einen Balg befestigt ist. Die zylindrische Vakuumkammer besteht aus Aluminiumoxidkeramik. Die Enden der Kammer sind metallisiert. Ein Metalldampfkondensationsschild um die Kontakte verhindert, dass die Oberfläche der Keramik beschichtet wird. Die Kammer ist dicht verschlossen, um das Vakuum aufrechtzuerhalten.

Querschnitt eines Vakuumschalters

Unter Berücksichtigung der Strömung undzu unterbrechende Spannung, um eine minimale Metallerosion zu gewährleisten und die lokale Erwärmung zu minimieren, gibt es drei Hauptkonzepte zum Herstellen von Kontakten des Vakuumschalters:

  1. Stoßkontakte (für Lichtbogen mit niedrigem Strom).
  2. Spiral- oder Transversalmagnetfeld- (TMF) Kontakte (für Hochstromlichtbogen).
  3. Kontakte mit axialem Magnetfeld (AMF) (für Hochstromlichtbogen).

Die Kontaktmaterialien bestehen normalerweise aus Kupferlegierungen wie Cr-Cu, Cu-Bi, Cu-Ag usw. Die bildliche Darstellung der verschiedenen Kontaktstrukturen ist in Abbildung 1.2 dargestellt.

Kontaktausführungen des Vakuumschalters

Anwendungen von Vakuum-Unterbrechern

Vakuumunterbrecher werden hauptsächlich in diesen Bereichen eingesetztDie Schaltanlage für den Mittelspannungsbereich (1 - 5 - 38 kV). In den letzten Jahren konnten die Forscher 145kV-Vakuum-Leistungsschalter erfolgreich implementieren. Schaltanlagen mit Vakuum-Unterbrechern können in den folgenden Kategorien eingesetzt werden:

  1. Leistungsschalter.
  2. Kapazitätsbankwechsel.
  3. Wiedereinsteiger.
  4. Schütze.
  5. Lastumschaltung
  6. Induktive Stromumschaltung.

145 kV Vakuum-Leistungsschalter

Einschränkungen beim Einsatz der Vakuum-Unterbrechertechnologie

In den letzten Jahren VakuumunterbrecherDie Technologie hat sich zu einer wichtigen Wahl in Energiesystemen entwickelt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass SF6 zwar eine bessere Lichtbogenlöschfähigkeit besitzt, jedoch jetzt als Umweltbedrohung betrachtet wird, da es als eines der größten globalen Erwärmungsgase identifiziert wird. Die Vakuum-Unterbrechertechnologie wird so zu einer umweltfreundlichen Alternative. Kosten und technische Anforderungen werden jedoch zu einer treibenden Kraft bei der Auswahl der Vakuumtechnologie gegenüber den Gegenstücken für SF6 und Luftwechsel. Wir können das wie folgt erklären:

  1. In Niederspannungsanwendungen wird die Luftschalttechnologie aufgrund der geringeren Kosten der Luftschaltausrüstung geeigneter.
  2. In Hochspannungsanwendungen ist die Leistung von SF6 der Vakuumtechnologie überlegen.
  3. Die größte Schwierigkeit der Vakuumtechnologie sind die physisch großen Unterbrecher, die schwer sind und die Handhabung und Wartung sowie Kostenprobleme darstellen.
  4. Außerdem müssen die Kontaktmaterialien für den Einsatz bei hohen Spannungen optimiert werden.

Fazit
Das Vakuum-Unterbrechertechnologie ist ein umweltfreundlicher Ersatz für den SF6Seine Verwendung ist jedoch aus Kosten- und technologischen Gründen auf Mittelspannungen beschränkt. Kürzlich durchgeführte Forschungen waren in der Lage, Vakuum-Leistungsschalter bei hohen Spannungen zu implementieren, aber der wachsende Bedarf an Energie erfordert verbesserte Technologien, um die Vakuumunterbrechertechnologie umfassend implementieren zu können.

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